基于小时间尺度原位试验的疲劳小裂纹扩展机理研究和寿命预测
结题报告
批准号:
51875019
项目类别:
面上项目
资助金额:
60.0 万元
负责人:
张慰
依托单位:
学科分类:
E0504.机械结构强度学
结题年份:
2022
批准年份:
2018
项目状态:
已结题
项目参与者:
张卫方、姜珊、王红勋、蔡亮、周道卿、刘宇鸣、范朝阳、王新艳、成玫芗
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中文摘要
在航空领域中,金属结构材料的疲劳寿命预测问题由来已久,人们已基本建立了利用线弹性断裂力学理论描述长裂纹扩展直至断裂过程的寿命预测方法,并始终致力于把这种方法向更小的裂纹尺寸延伸。小裂纹的问题尤为重要,因为结构材料内不可避免的含有可视为小裂纹的初始缺陷,而小裂纹扩展消耗绝大部分的疲劳寿命。然而,由于“小裂纹效应”的影响,线弹性断裂力学分析无法直接应用于小裂纹的扩展,而且其微观机理以及与裂纹增量之间的定量关系尚不明确,物理模型难以建立,变幅载荷下小裂纹扩展寿命评估面临挑战。本项目采用先进的小时间尺度原位试验技术,开展变幅载荷下扫描电镜和光学显微镜疲劳试验,揭示金属疲劳小裂纹在一个载荷周期内瞬时的行为和机理。分析试验结果,建立小裂纹扩展物理模型,结合申请人在前期研究中建立的长裂纹扩展建模,推导疲劳全寿命预测模型。最后,考虑材料参数、初始缺陷以及载荷的不确定性,进行疲劳寿命预测方法研究。
英文摘要
Fatigue life prediction of metallic structural material is a relatively old subject in aeronautical field. A fatigue life prediction method has been mainly established by describing the process of long crack propagation and fracture based on Liner Elastic Fracture Mechanics (LEFM). People make good efforts to extend this approach to the smaller crack size. The small crack is of great significance, because in the most structural materials the flaws always exist, which can work as the initial small crack, and its propagation usually consumes the major fatigue life. However, due to the small crack effects, the LEFM theory cannot be directly used to analyze the small crack growth. Furthermore, the intrinsic quantitative relationship between the micro-mechanisms and the instantaneous crack growth is still not clear. It is difficult to establish a physical model of the small crack growth. So, the fatigue life evaluation involving the small crack and variable amplitude loading is a big challenge. In this project, the state-of-the-art experimental techniques (In-Situ SEM/Optical Microscopy Fatigue Crack Growth Testing) are performed to investigate fatigue small crack growth mechanisms and behaviors at a small time scale within one load cycle. Then, the small crack growth physical model can be built up based on the analysis of the experimental observations. Combining the previous progress of long crack growth model, the whole fatigue life prediction model can be derived. Finally, the study on fatigue life distribution prediction is conducted, considering the uncertainties of initial flaws, material properties, and loading spectra.
项目针对小裂纹效应现象,以基于断裂力学的金属结构疲劳寿命预测方法为工程需求背景,采用试验、数值、理论分析结合的方法对小裂纹扩展行为进行深入的研究。从小时间尺度揭示裂纹在恒幅/变幅载荷下的裂纹扩展规律,进而建立统一的长短裂纹扩展模型,形成疲劳寿命/概率疲劳寿命预测方法。. 项目建立了一套小时间尺度原位疲劳试验方法,使用SEM和光学显微镜,可分别实现一个加载周期内的裂尖形貌和裂尖塑性区实时测量。试验观察到了过载前的裂纹闭合现象及过载后的瞬时加速和延迟迟滞现象。获得了过载前后裂尖物理量的变化,揭示了过载后的瞬时加速和延迟迟滞现象的机理;使用数值仿真模型,分析了疲劳裂尖塑性区演化过程和残余应力对裂纹扩展行为的影响;在以上机理分析的基础上,考虑小裂纹阶段裂纹闭合的演化和微观结构差异性,建立了以CTOD为驱动因子的长短裂纹统一的扩展模型,并采用多种材料不同载荷的试验数据进行了验证,取得了令人满意的结果。最后,基于基于Bootstrap和裂纹扩展模型,建立了考虑材料、初始缺陷和载荷不确定性的概率疲劳寿命评估模型。. 项目完成了整个研究内容,达到了研究目的,在变幅载荷下裂纹扩展机理研究和小裂纹扩展建模方面,取得较为突出的进展,形成的方法可用于损伤容限分析和全寿命评估。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
Uncertainty theory based reliability modeling for fatigue
基于不确定性理论的疲劳可靠性建模
DOI:10.1016/j.engfailanal.2020.104931
发表时间:2021
期刊:ENGINEERING FAILURE ANALYSIS
影响因子:4
作者:Li Xiao-Yang;Tao Zhao;Wu Ji-Peng;Zhang Wei
通讯作者:Zhang Wei
The in-situ testing and modeling on sealing strength deterioration of lithium-ion pouch cell
锂离子软包电池密封强度劣化的原位测试与建模
DOI:10.1016/j.engfailanal.2020.105036
发表时间:2020-10
期刊:ENGINEERING FAILURE ANALYSIS
影响因子:4
作者:Zhang W.;Wei Y. C.;Cheng M. X.;Liu Y. M.;Sun H.
通讯作者:Sun H.
A hybrid approach of modified bootstrap and physics-based methods for probabilistic fatigue life prediction considering overload effects
考虑过载效应的改进引导程序和基于物理的概率疲劳寿命预测方法的混合方法
DOI:10.1016/j.probengmech.2022.103343
发表时间:2022-07
期刊:Probabilistic Engineering Mechanics
影响因子:2.6
作者:Shan Jiang;Wei Zhang
通讯作者:Wei Zhang
In-situ microscopy testing of plasticity variation ahead of fatigue crack tip in AL2024-T3
AL2024-T3 疲劳裂纹尖端塑性变化的原位显微镜测试
DOI:10.1007/s10704-018-00340-y
发表时间:2019-03-01
期刊:INTERNATIONAL JOURNAL OF FRACTURE
影响因子:2.5
作者:Zhang, Wei;Cai, Liang;Sun, Fuqiang
通讯作者:Sun, Fuqiang
DOI:10.7527/s1000-6893.2021.25820
发表时间:2022
期刊:航空学报
影响因子:--
作者:李晓阳;陶昭;张慰
通讯作者:张慰
基于多尺度原位试验和小裂纹理论的腐蚀疲劳机理研究和寿命预测
  • 批准号:
    52375139
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    50.00万元
  • 批准年份:
    2023
  • 负责人:
    张慰
  • 依托单位:
多尺度疲劳裂纹扩展机理研究和建模
  • 批准号:
    51405009
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万元
  • 批准年份:
    2014
  • 负责人:
    张慰
  • 依托单位:
国内基金
海外基金